Исследователи объединили данные Micro-C, RNA-seq и ATAC-seq, чтобы сопоставить пространственное расположение участков хромосом с характером активности генов в разных тканях и на разных стадиях развития. Такой подход позволил увидеть геном не как линейную цепочку букв, а как динамичную трёхмерную систему, в которой удалённые друг от друга области ДНК могут сближаться и влиять на работу генов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что геномы головоногих моллюсков претерпели масштабную реорганизацию. В ходе этих преобразований обширные участки генетического материала меняли своё расположение, в результате чего ранее удалённые области хромосом оказывались в непосредственной близости. Такая перегруппировка создавала новые возможности для взаимодействия между участками ДНК, которые прежде не могли контактировать подобным образом.
Возникшие пространственные связи могли влиять на активность генов, формируя сложные сети генетической регуляции. Подобное переплетение взаимодействий учёные называют регуляторной запутанностью. Речь идёт о ситуации, когда разрозненные контакты между участками генома постепенно закрепляются и образуют устойчивые, но при этом пластичные регуляторные сети. Именно такие сети способны обеспечивать тонкую настройку работы генов без изменения их последовательности. В этом смысле архитектура ДНК становится не пассивным следствием эволюции, а активным участником формирования новых признаков, включая необычайно сложную нервную систему головоногих моллюсков.
Одним из наиболее интересных результатов исследования стало обнаружение того, что разные части генома неодинаково реагировали на структурную реорганизацию. Учёные выяснили, что крупные области, называемые доменами хроматина, сохраняли относительную стабильность на протяжении длительного времени. Эти домены отвечают за общую архитектуру хромосом и, по-видимому, остаются эволюционно консервативными. Однако с более мелкими структурами, петлями хроматина, картина оказалась иной. Такие петли образуются, когда удалённые друг от друга участки ДНК сближаются в трёхмерном пространстве. В отличие от относительно стабильных доменов хроматина, расположение этих петель заметно различалось у разных видов головоногих моллюсков. Иными словами, эволюция затрагивала не только общий каркас генома, но и его более тонкую пространственную настройку.
Особый интерес представляет то, что многие из подобных пространственных связей обнаруживались рядом с генами, участвующими в развитии и функционировании нервной системы. Это позволяет предположить, что изменения пространственной организации генома могли сыграть важную роль в формировании необычайно сложной нервной системы головоногих моллюсков. Дополнительным аргументом в пользу функциональной значимости таких структур стали эксперименты с CRISPR-Cas9. Исследователи удалили предполагаемую регуляторную последовательность в консервативной области генома и подтвердили, что хроматиновые петли действительно играют роль в нейрональном развитии и обеспечивают дальние межкомпартментные взаимодействия. Тем самым работа не ограничилась описанием корреляций между архитектурой ДНК и активностью генов, а предложила экспериментальную проверку возможного механизма.
Таким образом, исследование выявило возможную связь между пространственной организацией ДНК и особенностями нервной системы осьминогов, кальмаров и каракатиц. Оно заставляет пересмотреть привычное представление о том, что сложные признаки определяются исключительно генами и их последовательностями. Полученные данные показывают, что трёхмерная укладка ДНК, хроматиновые петли и регуляторная запутанность могут создавать дополнительные уровни эволюционной изменчивости. При этом непосредственное влияние обнаруженных геномных перестроек на интеллектуальные способности этих животных ещё предстоит установить. Будущие исследования должны показать, какие именно пространственные контакты критичны для работы нервной системы, как они менялись у разных видов и насколько универсален предложенный механизм. Однако уже сейчас ясно, что секрет разума осьминога, вероятно, кроется не в одном «гене интеллекта», а в сложной и пластичной архитектуре генома, которая обеспечила эволюции новые возможности для формирования удивительно сложного мозга.
